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引用格式：王朋飞，周前进.鸭舵式火箭弹的气动特性及控制能力分析[J].兵器装备工程学报，2017(11):41-44.

Citation formatWANG Peng-fei，ZHOU Qian-jin.Analysis of Canard Rocket for Aerodynamic Characteristics and Control Ability[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):41-44.

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作者简介：王朋飞(1986—)，男，硕士，主要从事气动仿真和飞行技术研究。
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鸭舵式火箭弹的气动特性及控制能力分析

王朋飞1， 周前进2

(1.西安航空职业技术学院， 西安 710089； 2.国营990厂， 合肥 230601)

摘要：为了提高火箭弹的密集度，对鸭舵改变火箭弹气动布局问题进行了分析。基于鸭舵式火箭弹的受力分析，进行了不同攻角和舵偏角下火箭弹气动特性数值仿真，并利用仿真数据进行了纵横向控制能力计算。结果表明：鸭舵的存在使火箭弹的阻力系数和升力系数都有所增加，通过控制鸭舵的起控高度和舵偏角大小可得到火箭弹在纵横向不同的控制量，从而为弹道修正弹的弹道设计提供依据。

关键词：鸭舵；气动特性；舵偏角；修正能力

中图分类号：TJ714  文献标识码：A  文章编号：2096-2304(2017)11-0041-04

Analysis of Canard Rocket for Aerodynamic Characteristicsand Control Ability

WANG Pengfei1， ZHOU Qianjin2

(1 Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi’an 710089, China； 2.State Factory No.990, Hefei 230601, China)

Abstract: In order to improve the intensity of the rocket, the problem of changing the aerodynamic layout of the canard is analyzed. Based on the analysis of the canard rocket, the numerical simulation of the aerodynamic characteristics of the rocket under different angle of attack and elevator angle is carried out, and the vertical and horizontal control capability is calculated by using the simulation data. The results show that the existence of the canard has increased the resistance coefficient and the lift coefficient of the rocket. By controlling the height of the canard and the elevator angle, the rocket can get different control in the vertical and horizontal directions, the ballistic design of the bullet is provided.

Key words: canard; aerodynamic characteristics; elevator angle; correction capability

为了实现火箭弹完成精确打击的能力，通过简易控制技术对火箭弹加以改造，使之转化成弹道修正火箭弹，达到提高射击精度、降低成本的目的，已是火箭弹发展主要方向。实现二维弹道修正执行机构主要有微型脉冲推力火箭、燃气射流控制发动机和空气动力鸭舵[1-2]。脉冲修正执行机构的成本低、结构简单，但只能提供有限次、推力恒定的离散式修正，且需对全弹进行全新设计；鸭舵式执行机构能提供连续的控制力、控制能力大、控制精度高，且容易调整全弹质心，因此可对散布较大的火箭弹进行改造，提高射击精度[3-4]。

本文在分析了鸭舵式火箭弹受力情况的基础上，利用多种网格技术建模的方式对无舵和有舵火箭弹进行了气动仿真，分析了不同舵偏角下鸭舵上下面的流场分布情况及攻角、舵偏角对火箭弹气动特性的影响；同时根据仿真的气动数据对鸭舵式火箭弹进行弹道仿真，计算鸭舵起控高度和舵偏角大小对火箭弹控制能力的影响。

1 受力分析

与无控火箭弹相比，鸭舵式火箭弹的气动力和气动力矩增加了由舵面产生的控制力和控制力矩[5]，其受力如图1所示。图中δ为攻角，α为舵偏角；Rx、Ry和Mz为火箭弹攻角引起的气动阻力、升力和俯仰力矩；DRx、DRy、DMs为由舵偏角引起的附加气动阻力、升力、俯仰力矩。

2 气动仿真分析

2.1 网格模型及仿真条件

为消除流场域边界对仿真结果的影响，计算区域为长15倍弹长，直径20倍弹径的圆柱体。由于弹体结构比较复杂，所以采用分块对接的方式将计算区域分成若干区域，采用多种网格技术，以保证网格的质量[6-7]。弹体的网格模型如图2、图3所示。

2.2 外流场力学模型

流体流动需遵守的定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。流体动力学控制方程就是这些守恒定律的数学描述[8-9]。

1) 质量守恒方程

+(ρui)=0

质量方程又称为连续方程，此方程是质量守恒方程的一般形式，适用于可压流动和不可压流动。

2) 动量守恒方程

+(ρuiuj)=-++ρgi+Fi

动量守恒方程又称运动方程，式中:p是静压；τij为应力张量；ρgi和Fi分别为i方向的重力体积力和外部体积力。

3) 能量守恒方程

 +  =

式中：keff为有效热传导系数； Jj′为组分j′的扩散流量。

2.3 气动特性分析

仿真模型的弹体、舵面和尾翼表面采用无滑移固壁(wall)边界条件，计算区域的入口、出口和外边界全采用压力远场边界条件，气体模型为理想气体模型，动力黏度计算采用萨兰德定理。

2.3.1 不同攻角下的气动特性分析

图4是舵偏角α=0°时，阻力系数随马赫数、攻角的变化曲线。由图4可知，在小攻角范围内，随着攻角的增大，攻角引起的诱导阻力也随之增大，使全弹阻力系数随着增加，且全弹阻力系数随马赫数的变化规律基本一致[10]。

图5、图6分别是攻角δ=4°，舵偏角α=0°时，无控火箭弹和鸭舵式火箭弹阻力系数和升力系数随马赫数的变化曲线。由其可知，在同一攻角下，鸭舵式火箭弹的阻力系数、升力系数比同马赫数下的无控火箭弹要大。这说明有攻角时，鸭舵的存在增加了全弹的升力，同时全弹阻力也相应增加。

2.3.2 舵偏角对流场的影响

图7～图9为鸭舵式火箭靶弹在马赫数Ma=1.5、攻角δ=0°时舵面截面处(平行于弹体纵向平面)压力分布云图。

由图7～图9可知，鸭舵的前缘出现了激波，迎风面气流压缩剧烈，形成高压区；舵偏角的存在引起舵面上下区域流场不对称，下区域流场的压力明显高于上区域，这个压力差使鸭舵产生附加的气动力和气动力矩；随着舵偏角的增大，舵面上下区域流场的压力差越大。因此，可通过控制鸭舵起控高度和舵偏角，调整弹体飞行姿态，实现火箭弹在纵向和横向上的弹道修正。

3 控制能力分析

第2小节分析了不同舵偏角大小对应的气动特性影响火箭弹纵横向控制能力的情况。鸭舵在弹道上起控高度和舵偏角大小将影响火箭弹的控制能力[11-12]。为此基于前文的气动力参数，进行了不同高度和舵偏角下火箭弹在纵横向的控制能力计算，计算结果如表1所示。在纵向控制，10 km高度起控时，飞行高度随时间和舵偏角变化曲线如图10所示。由表1的结果可见：鸭舵在弹道上起控的高度越高，在纵向和横向的控制量越大，反之起控的高度越小；舵偏角越大，其控制量也越大。

4 结论

分析了不同攻角和舵偏角对火箭弹气动特性的影响规律，并针对鸭舵起控高度和舵偏角大小引起的控制能力问题进行了弹道仿真分析。随着攻角的增大，全弹的阻力系数随着增大；舵偏角的存在，引起了舵面上下表面的压力差，可为火箭弹弹道修正提供控制力和力矩；在弹道上鸭舵起控高度越高，舵偏角越大，其纵横向的控制能力越大。在10 km高度起控时，6°舵偏角下的纵向控制量将近是4°舵偏角下控制量的1.8倍。

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